CN109188447B - 一种光纤阵列反射式的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达相关技术领域，其公开了一种光纤阵列反射式的激光雷达，所述激光雷达包括激光器、光纤环形器、发射光学件、光纤阵列、耦合透镜、旋转反射镜及控制模块，所述光纤阵列的左端端面位于所述发射光学件的焦平面上，其右端端面位于所述耦合透镜的焦平面上，且所光纤陈列设置有一根中心光纤；所述旋转反射镜与所述光纤阵列分别位于所述耦合透镜相背的两侧；所述控制模块分别连接于所述旋转反射镜及所述激光器，其用于控制所述旋转反射镜的旋转与所述激光器的激光发射同步；所述光纤环形器形成有三个端口，三个端口中的两个分别连接于所述中心光纤及所述激光器。所述激光雷达降低了成本，体积较小，且具有较好的隐蔽性。

Description

一种光纤阵列反射式的激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达相关技术领域，更具体地，涉及一种光纤阵列反射式的激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种主动式的现代光学遥感技术，是传统雷达与激光结合的产物。由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，因此激光雷达具有高分辨率、高测量精度、抗干扰能力强、可以获得目标的多种图像等优点，广泛应用于环境监测、海洋监测、森林调查、地形测绘、深空探测、军事应用等方面。近年来，激光雷达应用于无人驾驶方面也相当热门。

激光雷达技术是以激光器发射激光照向目标，然后接受由目标反射回来的激光回波信号，经过信号处理后就可以获得目标的有关信息，比如目标距离、速度、角度、形状等参数，以实现对目标的探测与识别。

目前，在无人驾驶方面，要获得周围环境的准确信息，需要采集大量的数据，一般采取的方法是通过增加激光器与探测器的数量来达到一种多线程测量的手段，进而提高激光雷达的测量精度。这种方式使得激光雷达的成本很高，体积较大，安装在汽车的车顶不仅影响汽车的美观，还不具有隐蔽性。相应地，本领域存在着发展一种成本较低的激光雷达的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤阵列反射式的激光雷达，其基于现有激光雷达的工作原理，针对激光雷达的结构及部件之间的链接关系进行了设计。本发明所提供的激光雷达采用光纤组成的光纤阵列进行发射，以实现多线程测量，且可以提高测量精度；同时，因为光纤的体积很小且成本很低，故具有较好的隐蔽性及较低的成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤阵列反射式的激光雷达，所述激光雷达包括激光器、光纤环形器、发射光学件、光纤阵列、耦合透镜、旋转反射镜及控制模块，所述光纤阵列的左端端面位于所述发射光学件的焦平面上，其右端端面位于所述耦合透镜的焦平面上，且所述光纤阵列设置有一根中心光纤；所述旋转反射镜与所述光纤阵列分别位于所述耦合透镜相背的两侧；所述控制模块分别连接于所述旋转反射镜及所述激光器，其用于控制所述旋转反射镜的旋转与所述激光器的激光发射同步；所述光纤环形器形成有三个端口，三个端口中的两个分别连接于所述中心光纤及所述激光器；

所述激光器用于发射激光，所述激光传输到所述光纤环形器并经所述光纤环形器的作用后而传输到所述中心光纤中，继而通过所述耦合透镜后而被所述旋转发射镜反射，经所述旋转反射镜反射后的反射激光再次经所述耦合透镜的作用后进入所述光纤阵列的光纤中，所述控制模块通过控制所述旋转反射镜的转动，使得所述反射激光进入到所述光纤阵列中的每一个光纤中；进入所述中心光纤中的反射激光经所述光纤环形器的作用后自三个端口中的另外一个发出，以作为参考信号；所述发射光学件用于将所述光纤阵列中的其他反射激光发射到待测目标上。

进一步地，所述激光雷达还包括接收光学件、滤波模块及探测器，所述滤波模块连接所述光纤环形器及所述探测器，其中，所述光纤环形器通过参考光纤连接于所述滤波模块；所述接收光学件用于汇聚所述待测目标反射回来的激光回波信号，并将所述激光回波信号传输给所述滤波模块。

进一步地，所述激光雷达还包括信息处理系统，所述信息处理系统连接于所述探测器，其用于对来自所述探测器的信号数据进行处理以得到用户需要的数据产品。

进一步地，所述信息处理系统包括数据提取与解算模块、误差补偿模块及用户数据生成模块，所述误差补偿模块连接于所述滤波模块，其用于对接收到的数据进行误差补偿；所述数据提取与解算模块用于将来自所述误差补偿模块的数据进行数据解算以提取有效的图像数据，并将得到的图像数据传输给所述用户数据生成模块，所述用户数据生成模块用于结合接收到的图像数据及目标图像灰度图像来生成用户需要的数据产品，并传输给显示终端。

进一步地，所述滤波模块用于对接收到的所述激光回波信号及所述参考信号进行噪声滤除后传输给所述探测器；所述探测器用于将接收到的光信号转换为电信号，并将所述电信号传输给所述信息处理系统。

进一步地，所述激光发出激光的波长为1550nm；所述探测器为铟镓砷雪崩二极管。

进一步地，所述滤波模块为带通滤光片。

进一步地，所述接收光学件为汇聚透镜。

进一步地，所述发射光学件为准直透镜。

进一步地，所述旋转反射镜连接于驱动器，所述驱动器连接于所述控制模块，其用于驱动所述旋转反射镜进行360°旋转，以改变所述旋转反射镜相对于所述光纤阵列的位姿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的光纤阵列反射式的激光雷达主要具有以下有益效果：

1.所述控制模块通过控制所述旋转反射镜的转动，使得所述反射激光进入到所述光纤阵列中的每一个光纤中，充分利用光纤组成的光纤阵列进行激光脉冲的发射，并用一个激光器通过旋转反射镜的反射就可以实现多线程的测量，结构简单，且由于采用光纤进行发射和接收，光纤体积小，成本低，从而降低激光雷达的成本，还可以做到微型化，使激光雷达具有很好的隐蔽性。

2.所述旋转反射镜连接于驱动器，所述驱动器连接于所述控制模块，其用于驱动所述旋转反射镜进行360°旋转，以改变所述旋转反射镜相对于所述光纤阵列的位姿，便于控制，确保旋转反射镜的反射激光能够进入到所述光纤阵列中的每一根光纤中。

3.选用1550nm的激光波长相比于其他波长，在于1550nm作为光纤通讯的低损耗窗口，损耗一般小于0.3dB/km，可实现激光雷达的集成化；且1550nm激光允许的曝光功率是最大的，对人眼的危害较小，受大气湍流效应较小，且1550nm波段更有利于探测器检测；同时，采用铟镓砷(InGaAs)雪崩二极管作为探测器，铟镓砷探测器的工作波长在1μm～3μm内，无需制冷，在室温的条件下具有很高的灵敏度，由此提高激光雷达的系统精度。

4.所述滤波模块能够减少所述探测器上接收到的光信号中的背景光功率，以对背景光产生的散粒噪声进行滤除，同时也对其他与光信号无关的干扰进行滤除，以确保对光信号的准确接收，便于后续对光信号的处理。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的光纤阵列发射式的激光雷达使用时的状态示意图。

图2是图1中的光纤阵列发射式的激光雷达的光纤环形器的工作原理图。

图3中的a、b、c图分别是图1中的光纤阵列发射式的激光雷达的旋转反射镜处于不同状态时的光束进入光纤阵列的示意图。

图4是图1中的光纤阵列发射式的激光雷达的发射光学件的示意图。

图5是图1中的光纤阵列发射式的激光雷达的接收光学件的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器，2-光纤环形器，3-发射光学件，4-光纤阵列，5-耦合透镜，6-旋转反射镜，7-控制模块，8-接收光学件，9-滤波模块，10-探测器，11-信息处理系统，12-待测目标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的光纤阵列发射式的激光雷达包括激光器1、光纤环形器2、发射系统、接收系统及信息处理系统11，所述激光器1的两端分别与所述发射系统及所述光纤环形器2相连接。所述接收系统分别连接于所述光纤环形器2及所述信息处理系统11。

所述激光器1用于发射激光脉冲。本实施方式中，所述激光器1优先选择光纤激光器，其发出的激光波长为1550纳米。之所以选择光纤激光器是因为：1.光纤激光器可以实现单模运行，具有极窄的谱线线宽，非常好的单色性、稳定性、方向性、光束质量好；2.光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质；3.因为光纤激光器的圆柱形几何形状，所以容易耦合到传输光纤系统中，而且耦合效率很高，又因为光纤具有极好的柔绕性，光纤激光器可以设计得小巧灵活；4.由于光纤直径非常小，相同体积下的表面积很大，因此散热效率较高。

此外，选用1550nm的激光波长相比于其他波长，在于1550nm作为光纤通讯的低损耗窗口，损耗一般小于0.3dB/km，可实现激光雷达的集成化。另外，由于光通信技术发展较为成熟，一些光通信器件和光通信的窗口契合度很好，且成本低、技术成熟和可靠性好。对于无人驾驶，要求激光雷达发出的激光对人眼无害，而在300nm-10μm波段，1550nm激光允许的曝光功率是最大的，对人眼的危害较小，受大气湍流效应较小，且1550nm波段更有利于探测器检测。

所述光纤环形器2形成有端口port1、端口port2及端口port3，所述端口port1连接于所述激光器1，所述端口port2连接于所述发射系统，所述端口port3连接于所述接收系统。本实施方式中，所述光纤环形器2主要用于对光束进行转换，使得一路光束作为发射激光束，另一路则作为参考光束。

所述发射系统包括发射光学件3、光纤阵列4、耦合透镜5、旋转反射镜6及控制模块7，所述光纤阵列4的左端端面位于所述发射光学件3的焦平面上，其右端端面位于所述耦合透镜5的焦平面上。所述旋转反射镜6位于所述耦合透镜5的焦平面上，且所述旋转反射镜6与所述光纤阵列4分别位于所述耦合透镜5相背的两侧。所述控制模块7分别连接于所述旋转反射透镜6及所述激光器1。

所述发射光学件3对激光束具有准直作用，其可以采用透镜或者透镜组，本实施方式中，所述发射光学件3为准直透镜。所述光纤阵列4由多个光纤阵列而成，且过所述光纤阵列4的几何中心的光纤称为中心光纤。所述中心光纤连接于所述端口port2。所述中心光纤发出的激光脉冲经所述旋转反射镜6反射后再通过所述耦合透镜5而分别进入到所述光纤阵列4的每一根光纤进行传输，接着，激光脉冲自所述光纤阵列4出来后经所述发射光学件3进行准直后照向待测目标12。

本实施方式中，所述光纤阵列的排列是线性的，且其光纤数量为奇数；所述光纤阵列4选取91根光纤，每根光纤的直径为100μm，所述光纤阵列4的总长不超过1cm；同时，所述光纤阵列4的中心光纤用做主光纤发射激光，且激光在所述旋转反射镜6的作用下进入到其他光纤中；可以理解，在其他实施方式中，可以根据扫描角度的不同，而选取光纤的数量，当然线数越多，所获取目标的数据也就越多，对目标的测量精度也就越高。

所述旋转反射镜6连接有驱动器，所述驱动器用于驱动所述旋转反射镜6旋转，以改变所述旋转反射镜6相对于所述光纤阵列4的位姿。所述控制模块7连接于所述驱动器。本实施方式中，所述旋转反射镜6是双面镜，其两端分别镀有膜，使得所述旋转反射镜6的四个面都可以反射激光，且所述旋转发射镜6可以360°旋转，便于控制；当然在其他实施方式中，所述旋转反射镜6也可以一个面反射激光，其通过在一个角度范围内来回摆动，以保证反射出去的激光可以进入到光纤中。

所述控制模块7用于控制所述激光器1发出激光的同时控制所述驱动器的转动，以控制所述旋转反射镜6的旋转，使得所述旋转反射镜6转动到与光纤对应的位置。其中，所述驱动器的转速可以根据所述激光雷达的扫描频率来设定，如激光雷达的扫描频率为60Hz，驱动器的转速为ω＝60r/s＝3600r/min。

所述接收系统用于接收反射回来的激光回波信号及由参考光纤反馈过来的激光脉冲信号(即参考信号)，其包括接收光学件8、滤波模块9及探测器10，所述滤波模块9通过参考光纤连接于所述端口port3，所述探测器10连接于所述滤波模块9。所述接收光学件8邻近所述滤波模块9设置。

所述接收光学件用于对激光束进行汇聚，其可以采用透镜或者透镜组。本实施方式中，所述接收光学件8为汇聚透镜，且接收光纤位于所述汇聚透镜的焦平面；当然在其他实施方式中，根据实际需要可以选用透射式或反射式的接收光学件。

经所述光纤环形器2传输到所述滤波模块9的参考信号用作主波信号，所述滤波模块9的主要作用是减少所述探测器10上接收到的光信号中的背景光功率，以对背景光产生的散粒噪声进行滤除，同时也对其他与光信号无关的干扰进行滤除，以确保对光信号的准确接收，便于后续对光信号的处理。

本实施方式中，所述滤波模块9为带通滤光片，如法布里-珀罗型滤光片；当然，在其他实施方式中，也可以根据实际需要采用其他类型的滤光片，如高通滤光片、低通滤光片等。

所述探测器10用于检测光信号，且根据所述激光器1发出的激光波长为1550nm时，优选地采用铟镓砷(InGaAs)雪崩二极管作为探测器，铟镓砷探测器的工作波长在1μm～3μm内，无需制冷，在室温条件下具有很高的灵敏度。

所述信息处理系统11是对采集的数据进行分析处理，用以获取目标的大小、形状、距离等三维信息。具体地，通过对探测点阵内各种目标的回波信号处理得到目标的距离信息，并经过滤波、存储排序、统计、映射变换、实时修正、图像重构等处理来得到目标的距离、方位三维图像；然后，经图像处理识别目标来勾勒出目标物分布区域轮廓线，并成像于显示终端上，以方便用户查看。

所述信息处理系统11包括数据提取与解算模块、误差补偿模块及用户数据生成模块，所述误差补偿模块连接于所述滤波模块9，其用于对接收到的数据进行误差补偿，以消除系统误差，提高激光雷达的探测精度和定位精度。所述数据提取与解算模块用于将来自所述误差补偿模块传输的数据进行数据解算以提取有效的图像数据，并将得到的图像数据传输给所述用户数据生成模块，所述用户数据生成模块用于结合接收到的图像数据及目标灰度图像来生成用户需要的数据产品，并传输给显示终端。

请参阅图3、图4及图5，所述激光雷达工作时，所述控制模块7控制所述激光器1工作，所述激光器1发出的激光经光纤传输到所述端口port1，并经过所述光纤环形器2的作用自所述端口port2进入所述中心光纤中，继而通过所述耦合透镜5后而被所述旋转反射镜6反射，接着，再次通过所述耦合透镜5的作用进入所述光纤阵列4的光纤中，随着所述控制模块7控制所述旋转反射镜6的转动，使得激光会被反射到所述光纤阵列4中的每一个光纤中。进入到所述中心光纤的反射光会经过所述光纤环形器2的作用自所述端口port3出来而进入参考光纤以作为参考信号。同时，所述光纤阵列4中的其他反射光在所述发射光学件3的作用下出射而照向待测目标12，经所述待测目标12反射回来的光信号在所述接收光学件的作用下耦合到一根光纤中而被传输到所述滤波模块9，所述滤波模块9将接收到的回波光信号及参考光信号进行滤波处理后传输到所述探测器10，所述探测器10用于将接收到的光信号转换为电信号，并将所述电信号传输给所述信息处理系统11，所述信息处理系统11对接收到的电信号进行处理以获得所述待测目标12的相关信息。

本发明提供的光纤阵列发射式的激光雷达，所述激光雷达将光纤阵列、旋转反射镜及一个激光器相结合，以实现多路激光脉冲信号的发射，同时结合光纤环形器，增设一根参考光纤，参考信号反馈给接收端，以实现快速对激光回波信号进行检测和校准，提高了探测精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：

所述激光雷达包括激光器、光纤环形器、发射光学件、光纤阵列、耦合透镜、旋转反射镜及控制模块，所述光纤阵列的左端端面位于所述发射光学件的焦平面上，其右端端面位于所述耦合透镜的焦平面上，且所光纤陈列设置有一根中心光纤；所述旋转反射镜与所述光纤阵列分别位于所述耦合透镜相背的两侧；所述控制模块分别连接于所述旋转反射镜及所述激光器，其用于控制所述旋转反射镜的旋转与所述激光器的激光发射同步；所述光纤环形器形成有三个端口，三个端口中的两个分别连接于所述中心光纤及所述激光器；

所述激光器用于发射激光，所述激光传输到所述光纤环形器并经所述光纤环形器的作用后而传输到所述中心光纤中，继而通过所述耦合透镜后而被所述旋转发射镜反射，经所述旋转反射镜反射后的反射激光再次经所述耦合透镜的作用后进入所述光纤阵列的光纤中，所述控制模块通过控制所述旋转反射镜的转动，使得所述反射激光进入到所述光纤阵列中的每一个光纤中；进入所述中心光纤中的反射激光经所述光纤环形器的作用后自三个端口中的另外一个发出，以作为参考信号；所述发射光学件用于将所述光纤阵列中的其他反射激光发射到待测目标上。

2.如权利要求1所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述激光雷达还包括接收光学件、滤波模块及探测器，所述滤波模块连接所述光纤环形器及所述探测器，其中，所述光纤环形器通过参考光纤连接于所述滤波模块；所述接收光学件用于汇聚所述待测目标反射回来的激光回波信号，并将所述激光回波信号传输给所述滤波模块。

3.如权利要求2所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述激光雷达还包括信息处理系统，所述信息处理系统连接于所述探测器，其用于对来自所述探测器的信号数据进行处理以得到用户需要的数据产品。

4.如权利要求3所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述信息处理系统包括数据提取与解算模块、误差补偿模块及用户数据生成模块，所述误差补偿模块连接于所述滤波模块，其用于对接收到的数据进行误差补偿；所述数据提取与解算模块用于将来自所述误差补偿模块的数据进行数据解算以提取有效的图像数据，并将得到的图像数据传输给所述用户数据生成模块，所述用户数据生成模块用于结合接收到的图像数据及目标图像灰度图像来生成用户需要的数据产品，并传输给显示终端。

5.如权利要求4所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述滤波模块用于对接收到的所述激光回波信号及所述参考信号进行噪声滤除后传输给所述探测器；所述探测器用于将接收到的光信号转换为电信号，并将所述电信号传输给所述信息处理系统。

6.如权利要求2所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述激光发出激光的波长为1550nm；所述探测器为铟镓砷雪崩二极管。

7.如权利要求2所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述滤波模块为带通滤光片。

8.如权利要求2所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述接收光学件为汇聚透镜。

9.如权利要求1所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述发射光学件为准直透镜。

10.如权利要求1-9任一项所述的光纤阵列反射式的激光雷达，其特征在于：所述旋转反射镜连接于驱动器，所述驱动器连接于所述控制模块，其用于驱动所述旋转反射镜进行360°旋转，以改变所述旋转反射镜相对于所述光纤阵列的位姿。

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